5G覆蓋能力綜合分析

湯建東，肖清華（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州310014）

0 前言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)呈指數(shù)級(jí)發(fā)展，新業(yè)務(wù)層出不窮，4G已經(jīng)逐漸無法滿足用戶越來越高的體驗(yàn)要求。在此情形下，5G［1］應(yīng)運(yùn)而生，它將更加智能化與自動(dòng)化，能夠支持更多樣化的場(chǎng)景，融合更多種無線接入方式［2］。但相對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)而言，5G應(yīng)用技術(shù)到目前為止仍然欠完善，產(chǎn)業(yè)鏈仍然欠成熟。因此，需要投入更多的精力去研究如何根據(jù)差異化的場(chǎng)景去部署和優(yōu)化5G網(wǎng)絡(luò)［3］。

本文主要致力對(duì)運(yùn)營(yíng)商應(yīng)用最廣的5G增強(qiáng)移動(dòng)寬（eMBB）系統(tǒng)覆蓋能力進(jìn)行研究。截至目前，尚沒有足夠的文獻(xiàn)能夠系統(tǒng)地對(duì)5G系統(tǒng)的鏈路預(yù)算及其覆蓋能力進(jìn)行研究，原因是5G系統(tǒng)采用了比4G更靈活復(fù)雜的多流MIMO［4］，且5G的頻段分布更為寬泛。早在2018年初，筆者就詳細(xì)分析了5G在國(guó)內(nèi)頻段的分配情況［5］，由于全球在分配5G頻譜的節(jié)奏不統(tǒng)一，帶寬也不一致，這也會(huì)導(dǎo)致5G在不同國(guó)家或區(qū)域呈現(xiàn)出協(xié)同定位、兼容性的問題，這也需要后期加以關(guān)注并跟蹤。

江巧捷等人［6］重點(diǎn)剖析了5G傳播模型，這對(duì)于測(cè)算5G覆蓋半徑大有裨益。王鳳明等人［7］簡(jiǎn)單地?cái)⑹隽?G的鏈路預(yù)算與站址規(guī)劃等相關(guān)內(nèi)容。陳楊等人［8］在此基礎(chǔ)上相對(duì)深入地分析了5G系統(tǒng)的覆蓋能力，但對(duì)于鏈路預(yù)算與MIMO流、系統(tǒng)頻段的關(guān)系則只字未提。

1 系統(tǒng)頻段與Massive MIMO

根據(jù)筆者在文獻(xiàn)［5］中的觀點(diǎn)，5G系統(tǒng)將來主要使用小于6 GHz的低頻段和大于24 GHz的高頻段。考慮到產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度問題，在5G部署前夕，將更可能先運(yùn)用低頻段，一方面覆蓋能力更強(qiáng)，有助于節(jié)省運(yùn)營(yíng)商的投資，另一方面也容易與3G/4G網(wǎng)絡(luò)融合。在小于6 GHz的低頻段中，3 300～3 400 MHz已經(jīng)基本明確運(yùn)用于室內(nèi)分布，3 400～3 600 MHz（3.5 GHz頻段）產(chǎn)業(yè)鏈最成熟，應(yīng)用將最廣。而4 800～4 900 MHz的低頻段（5 GHz頻段）也可能是一個(gè)運(yùn)用較多的頻段。因此，本文主要針對(duì)3.5 GHz與5 GHz這2個(gè)頻段進(jìn)行分析。在區(qū)域類型方面，諸如密集市區(qū)、一般市區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村等4個(gè)最為典型的區(qū)域，限于篇幅，本文選擇最廣泛使用的一般市區(qū)場(chǎng)景進(jìn)行分析。

5G系統(tǒng)已經(jīng)明確采取大規(guī)模天線Massive MIMO，能夠?qū)崿F(xiàn)在三維空間產(chǎn)生靈活指向用戶的窄波束，通過精確的信道相關(guān)性估計(jì)、干擾抑制等，實(shí)現(xiàn)多流復(fù)用，從而極大提升頻譜效率。對(duì)于Massive MIMO的性能，本文不展開研究，只分析與5G覆蓋能力相關(guān)的天線增益。

如圖1所示，假設(shè)Massive MIMO由M個(gè)陣列組成，每個(gè)陣列由N個(gè)陣元構(gòu)成，每個(gè)陣元又包含T個(gè)雙極化陣子，總體相當(dāng)于2×M×N個(gè)通道的MIMO天線。該MIMO天線的增益計(jì)算如下：

圖1 Massive MIMO天線模型

式中：

GainZY——陣元增益

GainZYF——陣元的分集增益

GainBF——該天線的賦型增益

GainDP——陣子的雙極化增益

在下文的鏈路預(yù)算中，將把天線的增益統(tǒng)一納入到GainMIMO中，不再細(xì)分天線增益。以目前應(yīng)用最廣泛的64通道 MIMO為例，M=8，N=4，T=3，則其下行信道總體增益GainMIMO=GainZY+GainZYF+GainBF+GainDP=6+10lg（N×T）+10lg M+10lg 2=28 dB，而對(duì)于上行控制信道，由于缺少GainBF=10lg 2=3 dB，其總體信道增益為25 dB。類似地，如果是256通道的MIMO，其上、下行信道增益分別是31、34 dB。

圖2 LDPC碼MCS0～13的SNR仿真

2 RB分配與MCS

5G系統(tǒng)由于使用了OFDM/NOMA調(diào)制，用戶的數(shù)據(jù)速率由為其分配的PRB個(gè)數(shù)及選擇的MCS等級(jí)所決定，而RB分配也與MCS相關(guān)，MCS取決于SINR值，RB分配量會(huì)影響SINR值，所以MCS、分配RB量、SINR值和用戶速率四者之間會(huì)相互影響，這也是導(dǎo)致5G調(diào)度算法比較復(fù)雜的原因。5G控制信道與業(yè)務(wù)信道采取不同的編碼方式，前者采用Polar極化碼，后者采用準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼，不同信道、不同的編碼方式也導(dǎo)致了在不同的調(diào)制方式下，即使在同樣的BLER目標(biāo)下，所需要的SNR也不同，比較而言高階調(diào)制方式對(duì)SNR值要求更高。圖2給出了業(yè)務(wù)信道LDPC碼在MCS0～MCS13的SNR仿真結(jié)果，其他的類推。

不同的MCS對(duì)應(yīng)不同的頻譜效率，如表1所示。

表1 MCS與頻譜效率

RB分配量測(cè)算方式如式（2）所示：

式中：

VeSv——業(yè)務(wù)速率

FeMCS——信道采取相應(yīng)MCS的頻譜效率

Sccar——子載波寬度

LEch——鏈路開銷

需要說明的是，Sccar表示1個(gè)RB占用的12個(gè)連續(xù)子載波，而與LTE不同的是，子載波帶寬可在15、30、60、120、240 kHz中任意選取，一般選擇常用的30 kHz。鏈路開銷區(qū)分上、下行鏈路。上行鏈路包括PUCCH、PRACH等，下行鏈路包括PDCCH、PBCH等，不同信道在不同的子載波帶寬條件下開銷是不同的，具體可參見文獻(xiàn)［9］，本文不再贅述，只給出結(jié)果：上行鏈路在30 kHz子載波帶寬下的合計(jì)鏈路開銷約為25%，下行鏈路則約為29%。

3 5G上下行鏈路預(yù)算

5G鏈路預(yù)算的測(cè)算機(jī)理與流程與LTE類似，只是上述關(guān)鍵參數(shù)取值存在差異而已。

3.1 5G上行鏈路預(yù)算

上行鏈路預(yù)算又可分為控制信道和業(yè)務(wù)信道的鏈路預(yù)算，兩者均適用于：

PL_UL——上行鏈路最大傳播損耗（dB）

Pout_UE——終端最大發(fā)射功率（dBm）

Lfhm——人體損耗（dB）

S_NR——基站接收靈敏度（dBm）

Ga_MIMO——MIMO天線增益（dBi）

Lkj——饋線和接頭損耗（dB）

Lp——建筑物穿透損耗（dB）

Mf——陰影衰落余量（dB）

Ml——干擾余量（dB）

3.1.1 業(yè)務(wù)信道

在取定上文的典型參數(shù)和常規(guī)參數(shù)前提下，以10和20 Mbit/s數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為例，給出5G上行鏈路的業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算如表2所示。

表2 5G上行業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算

3.1.2 控制信道

上行控制信道主要是PRACH和PUCCH，由于大部分參數(shù)與業(yè)務(wù)信道相同，在此只列出不同的部分，如表3所示。

對(duì)比上行控制信道和業(yè)務(wù)信道的鏈路預(yù)算，可知：

a）上行控制信道的覆蓋能力受限于PUCCH。

b）即便是PUCCH，其覆蓋能力也好于上行業(yè)務(wù)信道，所以上行鏈路是業(yè)務(wù)信道PUSCH受限。

表3 5G上行控制信道與業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算差異

c）上行業(yè)務(wù)信道覆蓋范圍隨著小區(qū)邊緣目標(biāo)的速率增加而減少。

3.2 5G下行鏈路預(yù)算

類似地，可先對(duì)下行鏈路進(jìn)行鏈路預(yù)算的分析。

式中：

PL_DL——下行鏈路最大傳播損耗（dB）

Pout_NR——基站最大發(fā)射功率（dBm）

Lfkj——饋線和接頭損耗（dB）

S_UE——終端接收靈敏度（dBm）

Ga_MIMO——MIMO天線增益（dBi）

Lfhm——身體損耗（dB）

Lp——建筑物穿透損耗（dB）

Mf——陰影衰落余量（dB）

Ml——干擾余量（dB）

3.2.1 業(yè)務(wù)信道

以20～50 Mbit/s數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為例，具體鏈路預(yù)算參數(shù)如表4所示。

3.2.2 控制信道

下行控制信道包括PBCH、PDCCH等，由于大部分參數(shù)與業(yè)務(wù)信道相同，在此只列出不同的部分，如表5所示。

對(duì)比下行控制信道和業(yè)務(wù)信道的鏈路預(yù)算，可知：

a）下行控制信道的覆蓋能力受限于業(yè)務(wù)信道，PBCH能夠達(dá)到最大覆蓋。

b）在4G中下行信道是受限于PDCCH，但與下行業(yè)務(wù)信道能力相差不大。而5G中增加了MIIMO信道增益，同時(shí)下行的速率要求也比4G高出許多，這也是導(dǎo)致下行業(yè)務(wù)信道受限的原因。

c）下行業(yè)務(wù)信道覆蓋范圍隨著小區(qū)邊緣目標(biāo)的速率增加而減少。

4 5G的覆蓋能力綜合分析

結(jié)合上文對(duì)5G不同業(yè)務(wù)、不同信道、不同鏈路的覆蓋能力，以3.5 GHz在64通道MIMO條件為例，5G的上下行鏈路預(yù)算分析如圖3所示。

表4 5G下行業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算

表5 5G下行控制信道與業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算差異

可知：

a）5G的上行受限于業(yè)務(wù)信道。

b）5G的下行同樣受限于業(yè)務(wù)信道。

c）在上下行業(yè)務(wù)信道目標(biāo)速率相同時(shí)，下行覆蓋遠(yuǎn)優(yōu)于上行，即上行業(yè)務(wù)受限。

圖3 5G的上下行鏈路預(yù)算分析

d）對(duì)比上下行覆蓋范圍，5G系統(tǒng)覆蓋受限于上行業(yè)務(wù)信道。

為了更直觀地比較5G系統(tǒng)在不同頻段，不同MIMO配置下的覆蓋能力，下面分別以3.5 GHz-64MIMO、3.5 GHz-256MIMO和5 GHz-256MIMO 3種場(chǎng)景進(jìn)行比對(duì)，如圖4所示。

圖4 5G不同場(chǎng)景下的覆蓋能力對(duì)比

由此可見：

a）3種場(chǎng)景下，以3.5 GHz-256MIMO的覆蓋能力最強(qiáng)，無論是上行還是下行，其次是5 GHz-256MIMO。

b）在3種低頻段的場(chǎng)景下，無論是控制信道還是業(yè)務(wù)信道，MIMO增加通道數(shù)帶來的覆蓋增強(qiáng)效果比降頻覆蓋更直接。

c）即便如此，5G在低頻段高通道數(shù)下的單站覆蓋能力也不甚理想，一般市區(qū)內(nèi)的平均站間距在200～500 m，對(duì)于今后的無縫覆蓋投資是一個(gè)需要謹(jǐn)慎考慮的問題。

5 結(jié)束語

5G的覆蓋性能是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估的重要指標(biāo)，決定了是否可以帶給用戶穩(wěn)定、可靠的業(yè)務(wù)感知。本文基于5G系統(tǒng)的一些重要技術(shù)，具體分析了在一般市區(qū)下的上下行控制及業(yè)務(wù)信道的鏈路預(yù)算，并且針對(duì)差異化的頻段和MIMO條件分別對(duì)5G的覆蓋能力進(jìn)行綜合對(duì)比分析，對(duì)于今后從事5G的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃有指導(dǎo)作用。

當(dāng)然，5G的覆蓋性能與RB資源塊的分配算法、調(diào)度模式、信道調(diào)制方法緊密相關(guān)，所以在實(shí)際中也是千變?nèi)f化的。本文也只是以典型案例進(jìn)行介紹，限于篇幅，對(duì)于eMBB在5G高頻段、更高階調(diào)制以及uRLLC和mMTC其他典型場(chǎng)景等均未作分析。